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Allgemein | 23 Juni 2009

Supercomputer mit heissem Wasser gekühlt

IBM und die ETH Z├╝rich bauen einen neuartigen Supercomputer, der mit heissem Wasser gek├╝hlt wird. Die abgef├╝hrte W├Ąrme wird f├╝r die Beheizung der ETH-Geb├Ąude genutzt. Das System mit dem Namen Aquasar soll den Energieverbrauch um 40% senken und die CO2-Bilanz im Vergleich zu ├Ąhnlichen Systemen um bis zu 85% reduzieren.
Computersysteme und Rechenzentren sind wahre Energiefresser: In den letzten vier Jahren hat sich der Energiebedarf von Rechenzentren weltweit fast verdoppelt. "Die Energieversorgung ist die gr├Âsste Herausforderung des 21. Jahrhunderts. Geschwindigkeit und Leistung d├╝rfen deshalb nicht mehr die einzigen Kriterien sein, wenn es darum geht, Computersysteme zu bauen. Unser neues Ziel ist, Hochleistungsrechner mit niedrigem Energieverbrauch zu entwickeln", so Prof. Dimos Poulikakos, Projektleiter und Leiter des Laboratoriums f├╝r Thermodynamik in Neuen Technologien der ETH Z├╝rich. Computersysteme und Rechenzentren energieeffizienter zu machen, ist ein komplexes Unterfangen. Als L├Âsung pr├Ąsentieren die ETH Z├╝rich und IBM gemeinsam den neuen Supercomputer "Aquasar" - ein Experiment, das einen wichtigen Beitrag zu nachhaltiger IT leisten soll.



Einfaches K├╝hlmittel - grosse Wirkung
Ein zentraler Aspekt bei der Energieeffizienz ist die K├╝hlung des Computers. Bis zu 50% der Energie werden nicht f├╝r die Rechenleistung selbst, sondern f├╝r die notwendige K├╝hlung verbraucht. Das Problem ist, dass ein Computerchip zehnmal mehr W├Ąrme als eine Kochplatte auf der gleichen Fl├Ąche entwickelt. Ungek├╝hlt ├╝berhitzt er innert Sekunden und geht kaputt. F├╝r einen sicheren Betrieb muss der Chip daher stetig unter 85┬░C gek├╝hlt werden. Meistens wird f├╝r die K├╝hlung Luft verwendet, obwohl Luft eigentlich ein schlechter W├Ąrmeleiter ist. Besser eignet sich Wasser, da es W├Ąrme 4000-mal effizienter als Luft speichert. Zudem kann Wasser die W├Ąrme hervorragend transportieren. Allerdings muss das K├╝hlsystem hermetisch dicht sein, damit Wasser und Elektronik nicht in Ber├╝hrung kommen.

Bei "Aquasar" bringen die Forscher die Wasserk├╝hlung so direkt wie m├Âglich an die W├Ąrmequelle - den Chip - heran. Sie setzen leistungsf├Ąhige Mikrokanalk├╝hler ein, die auf der R├╝ckseite des Chips angebracht werden. Dank der K├╝hler k├Ânnen die Chips selbst mit bis zu 60┬░C heissem Wasser noch auf Betriebstemperatur gek├╝hlt und wertvolle Abw├Ąrme gewonnen werden. Damit man die W├Ąrmeenergie, die man von den Prozessoren wegleitet, am effizientesten nutzen kann, muss die Temperatur der Abw├Ąrme m├Âglichst hoch sein. Prinzipiell gilt: Je heisser die W├Ąrmeenergie desto wertvoller.

W├Ąrme als wertvolle Ressource
Die gesamte K├╝hlung ist ein geschlossener Kreislauf. Das System ben├Âtigt etwa 10 Liter Wasser, wobei eine Pumpe einen Durchfluss von 30 Litern pro Minute garantiert. Die Abw├Ąrme wird durch einen W├Ąrmetauscher an die Geb├Ąudehei-zung abgegeben. "W├Ąrme ist ein wertvolles Gut, auf das wir angewiesen sind und das wir t├Ąglich teuer kaufen. Indem wir Abw├Ąrme von den aktiven Bauteilen eines Computersystems so direkt und effizient wie m├Âglich abtransportieren, k├Ânnen wir sie als Ressource wieder verwenden. Das spart Energie und senkt den CO2-Ausstoss. Dieses Projekt ist ein wichtiger Schritt hin zu nachhaltigen, emissionsneutralen Rechenzentren", erkl├Ąrt Dr. Bruno Michel, Manager Advanced Thermal Packaging des IBM Forschungslabors Z├╝rich.

"Aquasar" verbindet also mehrere Vorteile: Da das System keine energieintensive K├Ąltemaschinen ben├Âtigt, sinkt der Energieverbrauch gegen├╝ber herk├Âmmlichen luftgek├╝hlten Systemen bis zu 40%. Durch direkte Abw├Ąrmenutzung gewinnt man zudem wertvolle W├Ąrmeenergie zur├╝ck, die sich vielf├Ąltig verwenden l├Ąsst. Im Vergleich zu ├Ąhnlichen Systemen reduziert sich dadurch die CO2-Bilanz um bis zu 85% - was bei durchschnittlichem Betrieb etwa 30 Tonnen CO2 pro Jahr entspr├Ąche.



Blutkreislauf nachahmen
Inspiriert wurde das Forschungsteam bei der Entwicklung des K├╝hlkreislaufs durch die Natur. Die Wissenschaftler testen Systeme, die den hochoptimierten, menschlichen Blutkreislauf nachahmen. Im K├Ârper sorgt ein Netzwerk von Gef├Ąssen und Kapillaren daf├╝r, dass W├Ąrme und Energie mit der gr├Âsstm├Âglichen Effizienz in jeden Teil unseres K├Ârpers transportiert werden. Die K├╝hlung von "Aquasar" ist nach den gleichen Prinzipien aufgebaut. Die etwa 2 cm2 grossen Mikrokanal-Wasserk├╝hler verf├╝gen ├╝ber viele hundert kleine Kapillaren.

"Aquasar" im Einsatz
An der ETH Z├╝rich wird aber nicht nur ├╝berpr├╝ft, ob die neue Wasserk├╝hlung funktioniert und wie viel thermische Energie dabei zu gewinnen ist, sondern auch wie leistungsf├Ąhig "Aquasar" ist. Das "Computational Science and Engineering"-Labor des Lehrstuhls f├╝r Computerwissenschaften der ETH Z├╝rich verwendet "Aquasar" f├╝r komplexe Str├Âmungssimulationen. Wissenschaftler dieses Labors optimieren in Zusammenarbeit mit dem IBM Forschungszentrum und anderen Partnerinstitutionen auch die Effizienz, mit der die Algorithmen berechnet werden.

Drei Jahre gemeinsame Forschung
Der Bau von "Aquasar" ist Teil des dreij├Ąhrigen, gemeinschaftlichen Forschungs-programms "Direkte Abw├Ąrmenutzung von fl├╝ssiggek├╝hlten Supercomputern: Der Weg zu energiesparenden, emissionsfreien Hochleistungsrechnern und Rechenzentren". An diesem Projekt sind das IBM Forschungslabor Z├╝rich, die ETH Z├╝rich, die ETH Lausanne und das Schweizer Kompetenzzentrum f├╝r Energie und Mobilit├Ąt (CCEM) beteiligt. Aquasar wird zudem mit der Unterst├╝t-zung durch IBM Schweiz und das IBM Forschungs- und -Entwicklungslabor in B├Âblingen, Deutschland, realisiert.
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2019.01.17 14:20 V11.11.0-1